Как создавали телескоп «Джеймс Уэбб»

20.02.2019 11:50

На постройку орбитального космического телескопа «Джеймс Уэбб», который должен стать преемником «Хаббла», будет потрачено в общей сложности $6,8 млрд. «Джеймс Уэбб» будет обладать составным зеркалом 6,5 м в диаметре, что в три раза больше зеркала «Хаббла», и солнечным щитом размером с теннисный корт.

Чувствительность телескопа и его разрешающая способность напрямую связаны с размером площади зеркала, которое собирает свет от объектов. Учёные и инженеры определили, что минимальный диаметр главного зеркала должен быть 6,5 метра, чтобы измерить свет от самых далеких галактик. Простое изготовление зеркала подобного зеркалу телескопа «Хаббл», но большего размера, было неприемлемо, так как его масса была бы слишком большой, чтобы можно было запустить телескоп в космос. Команде учёных и инженеров необходимо было найти решение, чтобы новое зеркало имело 1/10 массы зеркала телескопа «Хаббл» на единицу площади.

Зеркало телескопа состоит из 18 отдельных гексагональных сегментов из бериллия, покрытых слоем золота. С помощью этого телескопа можно будет наблюдать звезды и галактики, которые сформировались сразу после Большого взрыва, искать экзопланты, создавать карты темной материи. Многие объекты, которые «Уэбб» будет изучать, излучают настолько мало света, что телескопу для анализа спектра необходимо собирать свет от них в течение сотен часов.

Также было решено сделать зеркало не цельным, а из сегментов, которые будут раздвинуты на орбите, так как габариты цельного зеркала не позволили бы его разместить в ракете-носителе Ариан-5. Размер каждого из 18 шестигранных сегментов зеркала составляет 1,32 м от грани до грани, а масса сегмента — 20 кг.

Новое зеркало телескопа имеет 1/10 массы зеркала телескопа «Хаббл» на единицу площади. Стоимость – более 8 миллиардов долларов. Он должен стать преемником космического телескопа Хаббл, который будет продолжать работу до 2020 года. Телескоп Уэбба будет размещен в точке Лагранжа L2 (приблизительно в 1,5 миллионов километров от Земли)

Модель телескопа в масштабе 1: 6 в оптическом испытательном стенде

Резервуары для хранения и транспортировки зеркал

Приборы телескопа находятся в «стерильной камере». Для того, чтобы попасть туда ученые принимают специальный воздушный душ и надевают стерильный костюм.

Открытие резервуара

Одно из зеркал

Для зеркала телескопа используется особый тип бериллия. Он представляет собой мелкий порошок. Порошок помещается в контейнер из нержавеющей стали и прессуется в плоскую форму. После того как стальной контейнер удалён, кусок бериллия разрезается пополам, чтобы сделать две заготовки зеркала около 1,3 метра в поперечнике. Каждая заготовка зеркала используется для создания одного сегмента.

Процесс формирования зеркала начинается с вырезания излишков материала на оборотной стороне бериллиевой заготовки таким образом, что остаётся тонкая рёберная структура. Передняя же сторона каждой заготовки сглаживается с учётом положения сегмента в большом зеркале.

Затем поверхность каждого зеркала стачивается для придания формы близкой к расчётной. После этого зеркало тщательно сглаживают и полируют. Этот процесс повторяется до тех пор, пока форма сегмента зеркала не станет близка к идеальной. Далее сегмент охлаждается до температуры −240 °C, и с помощью лазерного интерферометра производятся измерения размеров сегмента. Затем зеркало с учётом полученной информации проходит окончательную полировку.

По завершению обработки сегмента передняя часть зеркала покрывается тонким слоем золота для лучшего отражения инфракрасного излучения в диапазоне 0,6—29 мкм, и готовый сегмент проходит повторные испытания при криогенных температурах.

Сложность зеркальных узлов обусловлена тем, что они разработаны быть очень легкими, но при этом способными работать при сверхнизких температурах -240 °C, выдержать перегрузки и вибрацию при запуске, а после этого еще и сохранять свою возможность дистанционного управления через приводы (моторчики), а также сохранять колоссальный уровень синхронизации на протяжении более двух недель, когда потребуется задействовать все зеркала как нечто одно единое целое.

Зеркала охлаждают до 24 градусов по Кельвину, чтобы проверить их будущую деформацию в космосе.
Для конструкции был выбран именно бериллий, так как он сохраняет свою форму при криогенных температурах